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基本信息

項(xiàng)目名稱：
基于石墨烯導(dǎo)電薄膜的有機(jī)電存儲(chǔ)器件制備與性能初探
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
石墨烯導(dǎo)電薄膜在電子器件方面的應(yīng)用對(duì)于電子信息工業(yè)革命有著重大意義，其成為顯示、存儲(chǔ)等領(lǐng)域新興材料并有望代替其他信息材料（Si，ITO等）。我們應(yīng)用低溫肼還原和高溫?zé)嵬嘶鸱椒ㄖ苽溥€原的氧化石墨烯薄膜，將還原的氧化石墨烯導(dǎo)電薄膜和體異質(zhì)結(jié)概念應(yīng)用到電存儲(chǔ)器件中，制備出結(jié)構(gòu)rGO/P3HT:PCBM /Al的體異質(zhì)結(jié)聚合物存儲(chǔ)器，該半導(dǎo)體器件呈現(xiàn)一次寫入多次讀?。╓ORM）的存儲(chǔ)功能。
詳細(xì)介紹：
石墨烯由于獨(dú)特二維平面結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性成為近年來物理與化學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，其優(yōu)異的電子遷移率和導(dǎo)電率等物理特性讓其在有機(jī)電子及微電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前，石墨烯及其導(dǎo)電薄膜的制備與性能研究成為科學(xué)家的一個(gè)主要研究方向，氧化石墨烯因具有宏量制備、產(chǎn)率高、功能多樣化，合成路徑簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，基于還原氧化石墨烯及其薄膜的制備、性能及應(yīng)用研究倍受人們的關(guān)注。結(jié)合當(dāng)前化學(xué)還原氧化石墨烯薄膜制備石墨烯導(dǎo)電薄膜技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出低溫肼濕潤(rùn)還原法和多層疊加技術(shù)得到高導(dǎo)電的石墨烯薄膜；應(yīng)用高溫?zé)嵬嘶鸱ê蛣冸x轉(zhuǎn)移技術(shù)得到高透明，柔性的石墨烯導(dǎo)電薄膜。廉價(jià)，透明，穩(wěn)定性高以及柔性的導(dǎo)電薄膜在光電功能器件領(lǐng)域有著潛在應(yīng)用。我們首次將rGO導(dǎo)電薄膜和體異質(zhì)結(jié)概念應(yīng)用到有機(jī)電存儲(chǔ)器件中，設(shè)計(jì)和制備一種結(jié)構(gòu)為rGO/P3HT:PCBM/Al體異質(zhì)結(jié)聚合物電存儲(chǔ)器件。該器件的電流電壓曲線呈現(xiàn)電學(xué)雙穩(wěn)態(tài)特性，它具有一次寫入多次讀取功能。該器件具有十萬(wàn)的開關(guān)比和0.5-1.2V的電轉(zhuǎn)換電壓，它們的值取決于rGO電極的方塊電阻。當(dāng)前有機(jī)電存儲(chǔ)器而言，具備熱穩(wěn)定性高并具有優(yōu)異電雙穩(wěn)態(tài)或多階存儲(chǔ)特性，通過器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了WORM功能, 很好地豐富和突顯有機(jī)電存儲(chǔ)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)。

作品圖片

  • 基于石墨烯導(dǎo)電薄膜的有機(jī)電存儲(chǔ)器件制備與性能初探
  • 基于石墨烯導(dǎo)電薄膜的有機(jī)電存儲(chǔ)器件制備與性能初探
  • 基于石墨烯導(dǎo)電薄膜的有機(jī)電存儲(chǔ)器件制備與性能初探
  • 基于石墨烯導(dǎo)電薄膜的有機(jī)電存儲(chǔ)器件制備與性能初探

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1.設(shè)計(jì)發(fā)明目的和基本思路 有機(jī)電存儲(chǔ)器作為當(dāng)代新興存儲(chǔ)技術(shù)之一，具有低成本、易加工、小體積、快響應(yīng)、低功率、高存儲(chǔ)密度等優(yōu)點(diǎn)。而傳統(tǒng)的金屬氧化物電極材料資源少，價(jià)格高和脆性等問題限制有機(jī)電存儲(chǔ)器的應(yīng)用。石墨烯具有獨(dú)特的電學(xué)性能、優(yōu)異的力學(xué)性能和機(jī)械延展性、良好的熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性，是制備高性能導(dǎo)電薄膜的理想替代者。本著低價(jià)格、高產(chǎn)率及性能優(yōu)的設(shè)計(jì)宗旨，應(yīng)用低溫肼濕潤(rùn)還原法和高溫?zé)嵬嘶鸱ǖ玫绞?dǎo)電薄膜。廉價(jià)，透明，穩(wěn)定性高以及柔性的導(dǎo)電薄膜在光電功能器件領(lǐng)域有著潛在應(yīng)用。 2.創(chuàng)新點(diǎn) 1）發(fā)展一種低溫肼濕潤(rùn)高效還原氧化石墨烯薄膜技術(shù)，并提出“有效還原深度”的概念，用于評(píng)價(jià)肼還原的能力，由此發(fā)展多層疊加還原技術(shù)。同時(shí)，采用高溫?zé)嵬嘶鹋c剝離轉(zhuǎn)移方法制備高透明石墨烯導(dǎo)電薄膜，該薄膜制備技術(shù)具有環(huán)境友好，制備簡(jiǎn)單，低成本及宏量制備的優(yōu)點(diǎn)，適合大面積推廣。 2）我們將rGO薄膜和體異質(zhì)結(jié)概念應(yīng)用于有機(jī)電存儲(chǔ)器中，構(gòu)建rGO/P3HT:PCBM/Al三明治型聚合物電存儲(chǔ)器件。 3.技術(shù)關(guān)鍵和主要指標(biāo) 低溫肼濕潤(rùn)高效還原氧化石墨烯薄膜的電導(dǎo)率高達(dá)2600S/m，同時(shí)，采用高溫?zé)嵬嘶鹋c剝離轉(zhuǎn)移方法制備高透明柔性石墨烯導(dǎo)電薄膜的方塊電阻約為3.9k ohm/sq 時(shí)透光率為75%（550nm），而且基于PET的石墨烯薄膜在大的彎曲角度下依然保持較高的導(dǎo)電性能。電流電壓曲線顯示該器件具有WORM存儲(chǔ)功能，并具有十萬(wàn)級(jí)的電流開關(guān)比和低至0.5-1.2V開關(guān)閾值電壓。

科學(xué)性、先進(jìn)性

⑴ 本項(xiàng)目采用肼潤(rùn)濕法還原氧化石墨烯薄膜。在成膜工藝方面，氧化石墨烯薄膜利用真空抽濾而成，該方法具有成膜均勻、薄膜厚度精確可控的優(yōu)點(diǎn)。在還原方法上，相比于肼蒸氣法，肼潤(rùn)濕法還原程度更高；相比于薄膜沉浸溶劑中還原，肼潤(rùn)濕后薄膜與襯底之間不易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象；相比于高溫?zé)嵬嘶疬€原，肼潤(rùn)濕法的還原溫度僅為100℃，可用于柔性襯底的石墨烯薄膜制備，對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件要求更低。 ⑵ 本項(xiàng)目中采用旋涂工藝和高溫?zé)嵬嘶鸱椒ǔ晒χ苽涓咄该魅嵝允?dǎo)電薄膜，并通過剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得柔性高透明導(dǎo)電薄膜。該方法具有薄膜制備過程簡(jiǎn)單，薄膜面積可調(diào)控，不涉及有毒溶劑及材料，安全綠色環(huán)保，適合大面積推廣。 ⑶ 設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)為rGO/P3HT:PCBM/Al，該器件呈現(xiàn)一次寫入多次讀取存儲(chǔ)功能，該半導(dǎo)體器件具有十萬(wàn)的電流開關(guān)比和0.5-1.2V開關(guān)閾值電壓。該有機(jī)電存儲(chǔ)器的非易失性及不可擦除功能使得它在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。另外，WORM功能也讓其在電子標(biāo)簽以及射頻識(shí)別方面有著誘人的前景。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

期刊論文 1.Bulk Heterojunction Polymer Memory Devices with Reduced Graphene Oxide as Electrodes. ACS NANO 2010, 4(7),3987-3992.(IF=7.493) 2.Multilayer Stacked Low-Temperature-Reduced Graphene Oxide Films: Preparation, Characterization, and Application in Polymer Memory Devices. Small 2010,6(14), 1536-1542.(IF=6.171) 2010年11月獲本?！皠?chuàng)新杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

現(xiàn)場(chǎng)演示，樣品，圖片

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

1) 有效地針對(duì)石墨烯薄膜的導(dǎo)電性，創(chuàng)新性的使用肼潤(rùn)濕還原法，在實(shí)驗(yàn)室溫和條件下有效地降低薄膜的表面方阻，與傳統(tǒng)高溫退火等方法相比，能耗少、效率高。 2) 高溫?zé)徇€原GO薄膜并通過剝離轉(zhuǎn)移法將rGO薄膜轉(zhuǎn)移到PET襯底,從而制得柔性、透明石墨烯導(dǎo)電薄膜，實(shí)現(xiàn)了柔性導(dǎo)電薄膜的突破。 3) 當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)于電子產(chǎn)品需求量大，對(duì)電極的要求越來越高，與ITO相比，石墨烯原料資源豐富、價(jià)廉物美，制備工藝簡(jiǎn)單;其作為柔性透明導(dǎo)電薄膜，在太陽(yáng)能電池、有機(jī)顯示、觸摸屏等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景,有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)電材料（ITO）。 4) 將石墨烯導(dǎo)電薄膜與體異質(zhì)結(jié)概念應(yīng)用于有機(jī)電存儲(chǔ)中，結(jié)構(gòu)為rGO/P3HT:PCBM/Al的有機(jī)電存儲(chǔ)器呈現(xiàn)WORM特性，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單低成本、易加工、小體積、高電流開關(guān)比、低的閾值電壓，在電子標(biāo)簽和射頻識(shí)別有著潛在應(yīng)用價(jià)值。值得關(guān)注的是，該器件在柔性存儲(chǔ)方面有著潛在應(yīng)用前景。

同類課題研究水平概述

1. 有機(jī)電存儲(chǔ) 有機(jī)半導(dǎo)體器件具有質(zhì)量輕，可柔性制備、性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在能源轉(zhuǎn)換與降耗、綠色環(huán)保以及低碳經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著極其誘人的應(yīng)用。有機(jī)電存儲(chǔ)器的一般結(jié)構(gòu)為三明治型二極管即金屬電極/有機(jī)功能層/金屬電極。目前，具有電雙穩(wěn)態(tài)特性的有機(jī)功能材料主要可以分為有機(jī)小分子材料、聚合物、金屬有機(jī)配合物以及有機(jī)無(wú)機(jī)納米雜化材料四種類型，廣泛應(yīng)用于二極管的兩個(gè)對(duì)稱或非對(duì)稱電極材料只要有Al、Cu、銦錫氧化物（ITO）、p或n型攙雜硅。作為電子給受體體系之一，基于P3HT:PCBM體異質(zhì)結(jié)型材料被廣泛應(yīng)用于光電能量轉(zhuǎn)換，然而體異質(zhì)結(jié)型材料電雙穩(wěn)態(tài)特性的研究還少見報(bào)道。在另一方面，基于傳統(tǒng)電極材料的金屬或金屬氧化物，由于存在脆性，成本高以及相關(guān)稀有金屬含量有限的不足，研發(fā)一種可替代電極對(duì)于制備二極管型電存儲(chǔ)器件意義重大。 2. 石墨烯導(dǎo)電薄膜 2.1 石墨烯的制備方法 當(dāng)前制備石墨烯的方法包括微機(jī)械剝離、外延生長(zhǎng)、溶劑熱、液相分離及還原氧化，在這些方法中，微機(jī)械剝離法存在著薄膜形狀難控、薄膜均勻性差與制備效率低等不足。相對(duì)機(jī)械剝離法，外延生長(zhǎng)法不僅成膜質(zhì)量高，薄膜的電導(dǎo)率和石墨具有可比性，同時(shí)薄膜的形狀和厚度也可以進(jìn)行控制。但是，該方法的不足之處在于薄膜的制備過程復(fù)雜，成膜成本比較高。還原氧化石墨烯方法具有產(chǎn)率高與成本低的突出優(yōu)點(diǎn)，適合在任意襯底表面制備大面積且厚度可調(diào)的導(dǎo)電薄膜，倍受人們青睞。 2.2 氧化石墨烯薄膜的還原方法 通常利用化學(xué)試劑還原和高溫?zé)嵬嘶疬€原高導(dǎo)電石墨烯薄膜。對(duì)于肼蒸汽還原時(shí)還原溫度溫和，適合低溫制備石墨烯導(dǎo)電薄膜，特別是基于柔性襯底的石墨烯薄膜，但其還原后薄膜的整體導(dǎo)電性能提高不明顯。對(duì)于肼液還原，常溫下還原效果不明顯，,此外肼液還原還會(huì)產(chǎn)生薄膜剝離。高溫退火通過超高溫對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行石墨化，具有還原程度高及薄膜導(dǎo)電性好的突出優(yōu)點(diǎn)，但高溫退火的超高溫條件不適合柔性聚合物襯底薄膜的制備，而且這種超高溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻，不適合大范圍的推廣。 綜上所述，制備大面積、低成本、高質(zhì)量石墨烯導(dǎo)電薄膜（特別是柔性石墨烯透明導(dǎo)電薄膜）將是今后導(dǎo)電薄膜領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。
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